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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19
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박재우.유승협교수 산화티타늄 투명박막트랜지스터 독자기술 세계최초 개발
- 미국, 일본, 유럽에 특허출원, 관련 국제학회 발표예정
2002년에 개봉된 스티븐 스필버그 감독의 "마이너리티 리포트”(톰 크루즈 주연) 장면들 중에 보았던 투명디스플레이 구현이 꿈이 아니라 현실로 다가오고 있다.
‘꿈의 디스플레이’라 불리는 투명디스플레이, 에이엠올레드(AMOLED, 능동형 유기발광 다이오드) 디스플레이 및 플렉서블 디스플레이 등의 구동회로용으로 사용되는 투명박막트랜지스터(Transparent Thin Film Transistor) 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
전기전자공학과 박재우(朴在佑, 44) 교수와 유승협교수는 ㈜테크노세미켐, 삼성전자LCD총괄과 공동연구를 통해 미국, 일본 등이 원천특허를 보유하고 있는 산화아연(ZnO)기반 투명박막트랜지스터 기술에서 벗어나, 세계최초로 산화티타늄(TiO2)물질을 이용한 투명박막트랜지스터의 원천기술을 확보하는데 성공했다.
朴 교수팀은 미국, 일본 등과 기술특허분쟁이 일어나지 않을 뿐만 아니라 기존특허로 잡혀진 산화아연(ZnO) 물질에 포함된 In(인듐) 또는 Ga(갈륨)과 같은 희소성 금속을 사용하지 않고 지구상에 풍부한 금속자원을 이용한다는 원칙과 기존 반도체/디스플레이 산업용 대형 양산 장비로 검증 받은 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 낮은 온도에서 TiO2박막의 성막이 가능하게 함으로써 차세대 디스플레이의 대형화 가능성뿐만 아니라, 소다라임글래스(Soda-lime Glass)와 같은 저가 글라스기판 및 플렉서블 기판위에도 성막할 수 있는 원천 기술을 확보하는데 성공했다. 朴 교수팀은 미국, 일본이 보유한 원천기술이 스퍼터링 방식을 주로 사용하고 있으나 스퍼터링의 연속작업에 따른 물질 조성의 변화로 트랜지스터 특성의 재현성, 신뢰성에 문제점을 가지고 있다는 것에 착안, 재현성과 대형화가 검증된 CVD법을 이용하여 투명박막 트랜지스터 기술을 개발하게 되었다.
향후 2~3년을 목표로 지속적인 공동연구개발을 통해 신뢰성 검증 및 대형 CVD장비에서의 양산가능한 기술이 확보되면, 국내 디스플레이 산업체에서 생산하는 AMOLED 및 AMLCD 디스플레이 양산에도 곧바로 적용될 수 있도록 기술 이전 계획도 갖고 있다.
연구팀 관계자는 “이번 새로운 물질 기반 투명박막트랜지스터의 기술 개발 성공은 기존 외국기업의 기술 사용에 따른 로열티 지급으로부터 벗어날 수 있는 기술 독립선언이며, 앞으로도 세계디스플레이산업을 선도하는 종주국의 면모를 이어갈 수 있는 디딤돌 역할을 할 것으로 본다” 고 말했다.
이번 기술 개발과 관련하여 TiO2박막트랜지스터의 원천특허는 KAIST 소유로 돼 있는데, 2007년 3월 국내특허를 출원하여 오는 10~11월 중에 등록될 예정이다. 지난 3월에는 지식경제부 해외특허 지원프로그램으로 채택되어 미국, 일본, 유럽에 관련기술 특허 등이 출원 중에 있다. 지난 7월 이 기술과 관련한 기술적 내용의 일부는 미국 IEEE 전자소자誌(IEEE Electron Device Letters)에 발표되었고, 오는 12월 5일, 일본 니가타에서 열리는 국제디스플레이학회(IDW 2008, International Display Workshop 2008)에서도 발표될 예정이다.
신물질 TiO2기반 투명박막트랜지스터 기술개발팀 연구책임자인 朴 교수는 미국 미시간대학교 전자공학과에서 박사학위를 받았으며, 한국, 미국, 일본 등 여러 나라의 산업체에서 근무한 경력을 갖고 있다.
<보충설명>
■ 기술의 배경
현재 국내 대기업(삼성 LCD, SDI, LG디스플레이등) 과 일본업체(소니, 마츠시타, 샤프)들 중심으로 가까운 미래 다가올 AMOLED 및 미래 투명디스플레이의 구동회로용 TFT(Thin Film Transistor) 기술개발에 대한 관심이 뜨겁다. 불행히도 기존 a-Si이나 Poly-Si기술의 한계(신뢰성, 면적제한문제)로 향후 디스플레이 backplane용 TFT는 산화물반도체로 구현되어야 한다는 사실은 이미 산학연에서 공감하고 있으나, 지금까지 산화물반도체TFT는 주로 ZnO계열 중심으로 3원계(ZTO) 또는 4원계(IGZO)를 이용하여 개발되었고 관련 해외특허도 3,000건이상 출원되었거나 등록되어 있다. 또한 In이나 Ga을 포함한 ZnO TFT의 성능은 우수하나 희소성금속으로 높은 국제시장가격과 급작스런 수요 증가시 shortage의 불안감을 항상 가지고 있어 새로운 대체 산화물을 이용한 TFT개발이 필요한 시점이다.
■ 기술의 특징
TiO2(산화티타늄) 물질은 ZnO(산화아연)와 Optical Energy bandgap이 거의 같고(3.4eV) 전자이동도도 ZnO 못지 않게 높으며, 무엇보다도 성막시 재료비가 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 최근 KAIST 전기전자과 박재우 교수팀과 ㈜테크노세미켐, 삼성LCD총괄이 공동연구를 통해 세계 최초로 TiO2 박막을 active channel(활성층)로 채택하여 투명 산화물 TFT를 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 TiO2박막을 향후 디스플레이 산업에서 양산화와 대형화를 고려하여 기존 반도체/디스플레이 산업용 양산장비로 널리 알려진 CVD(Chemical Vapor Deposition: 화학기상증착)법으로 낮은 온도(250C)에서 성막하여 박막형 트랜지스터를 구현하는데 성공했다. 낮은 온도에서 CVD장치로 투명박막트랜지스터를 구현할 수 있다는 의미는 디스플레이의 대형화(현재 10, 11세대 규격 디스플레이기술 개발 중)가 가능하며, Soda-lime glass와 같은 저렴한 기판을 사용할 수 있기 때문에 재료비 절감효과를 가져올 수 있으며, 향후 투명 및 플렉시블 전자/디스플레이 응용에도 가능하다는 것이다.
2008.08.06
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최경철 교수팀, 세계 최고 고효율 PDP 발광 핵심 원천기술 개발
- PDP 전력 소모 문제 해결할 수 있는 핵심 원천 기술 - 미국 정보 디스플레이 학회(5월) 초청 논문으로 발표 예정
PDP(Plasma Display Panel) 전력 소모를 대폭 개선할 수 있는 고효율 발광 핵심 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
KAIST(총장 서남표) 전기및전자공학과 최경철(崔景喆, 43) 교수팀은 디지털 TV 대표격인 PDP의 새로운 셀 구조와 구동 방식을 개발했다. 이 기술은 PDP의 발광 효율을 현재보다 4배 이상 높일 수 있는 핵심 원천기술로 오는 5월 21일 미국 롱비치에서 개최되는 SID 2007(Society for Information Display 2007)에 초청논문으로 발표될 예정이다. SID는 세계 최대의 정보 디스플레이 학회다.
기존의 PDP의 발광 효율은 1.5 - 2 lm/W(루멘/와트; 풀 화이트 기준)이었지만, 崔 교수 팀이 개발한 원천 기술을 적용하면 PDP 발광 효율이 12 lm/W(그린 셀 기준; 풀 화이트로 환산하면 8.4 lm/W 이상)까지 얻을 수 있다.
崔 교수팀은 지난 2월 최대 발광 효율 8.7 lm/W(그린 셀 기준)를 달성한 논문을 IEEE 전자기기학회지(IEEE Transaction on Electron Devices)에 게재하여 주목을 받았다. 이후 새로운 구동 방식에 대한 지속적인 연구로 세계 최고인 12 lm/W의 발광 효율을 달성했다.
PDP는 다른 디스플레이 소자에 비해 정격 소비 전력이 높은 디스플레이 소자로 인식되어 왔다. 그 이유는 PDP 셀 내의 에너지 효율이 떨어져 발광 효율이 낮기 때문이다. 발광 효율을 향상시키기 위해서는 PDP 셀 내의 마이크로 플라즈마를 효과적으로 제어하여 효율을 향상시켜야 한다.
국내 PDP 개발 업체들은 일본 후지쯔사가 개발한 3전극 셀 구조 및 구동 방식을 사용하고 있다. 崔 교수팀이 개발한 셀 구조는 4전극 형태로 된 새로운 구조다. PDP 셀 구조를 기존의 3전극 구조 대신 4전극 구조로(그림1 참조) 셀 내의 두 개의 유지 전극 사이에 보조 전극을 삽입했다. 이 보조 전극을 통해 PDP 셀 내의 마이크로 플라즈마 및 벽 전하를 제어함으로 효율을 향상시킬 수 있었다. 초고효율 셀 구조를 안정되게 구동, 디스플레이 할 수 있는 신구동 방식(그림2 참조)의 핵심 원천 기술도 함께 개발하였다.
崔 교수는 “이 핵심 원천 기술을 이용하면 국내 PDP 생산 기업들이 일본 및 미국의 PDP 원천 기술에 대한 사용료 없이 고효율의 디지털 PDP TV 생산이 가능하게 될 것이다. 풀(Full) HD 해상도를 갖는 PDP TV의 밝기가 감소하는 단점을 개선하면 타 디스플레이와의 상업적 경쟁력을 높일 수 있다.”고 말했다.
이 기술은 국내 특허 1건을 등록하고 국제 특허 1건과 국내 특허 2건을 출원중에 있다. 이 연구는 차세대정보디스플레이 기술 개발 사업 및 KAIST 기관고유 사업에 의해 이루어졌다.
2007.04.16
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